Si bomo aparat za dializo kmalu izdelali sami zgolj s 3D-tiskalnikom

04.07.2024

Raziskovalci s Tehnološkega inštituta Massachusetts v Bostonu so dognali proces tiskanja elektromagnetov z dodajalno tehnologijo. V celoti natisnjenih tridimenzionalnih solenoidih z mehkim magnetnim jedrom ustvarjajo trikrat večja magnetna polja kot doslej. S tem bi lahko omogočili izdelavo elektronike, ki bi bila cenejša in enostavnejša za izdelavo tako na Zemlji kot v vesolju.

S tem ne bi le zmanjšali stroškov in odpravili proizvodnih odpadkov. Dodana vrednost znanstvenih ugotovitev je hkrati tudi decentralizacija izdelovalnega procesa, ki omogoča lažji dostop do elektronskih naprav. Stroj bi izdelali zunaj tovarne, uporabniki z omejenimi sredstvi ali tisti, ki živijo na oddaljenih območjih. To vsekakor predstavlja neprecenljivo olajšanje pridobivanja medicinskih pripomočkov. Denimo pri  ledvičnih boleznih z dializnim aparatom.

Ekipa z univerze MIT je pri uresničevanju ideje upoštevala številne ovire razvoja elektronskih naprav, ki so v celoti natisnjene v 3D-tehniki. Hkrati pa so naredili pomemben korak pri premagovanju ovir in predstavili v celoti natisnjene tridimenzionalne solenoide. Solenoidi, elektromagneti, ki jih tvori tuljava žice, ovita okoli magnetnega jedra, so temeljni gradnik številnih elektronskih naprav, od dializnih aparatov in respiratorjev do pralnih in pomivalnih strojev.

Raziskovalci MIT so spremenili večmaterialni 3D-tiskalnik, tako da je lahko v enem koraku izdelal tridimenzionalne solenoide s plastenjem ultratankih tuljav iz treh različnih materialov. Tiskalnik natisne solenoid velikosti ameriške četrtine v obliki spirale s plastenjem materiala okoli mehkega magnetnega jedra, pri čemer so debelejše prevodne plasti ločene s tankimi izolacijskimi plastmi. Foto: MIT

Raziskovalci so prilagodili večmaterialni 3D-tiskalnik, da je lahko v enem koraku natisnil kompaktne solenoide z magnetnim jedrom. S tem so odpravili napake, ki bi se lahko pojavile med postopki naknadnega sestavljanja. Ta prilagojeni tiskalnik, ki je lahko uporabil zmogljivejše materiale kot običajni komercialni tiskalniki, je raziskovalcem omogočil izdelavo solenoidov, ki so lahko vzdržali dvakrat večji električni tok in ustvarili trikrat večje magnetno polje kot druge naprave, natisnjene v 3D-tehniki.

Raziskovalci so spremenili večmaterialni 3D-tiskalnik, tako da lahko v enem koraku natisne kompaktne solenoide z magnetnim jedrom. S tem so odpravili napake, ki bi se lahko pojavile med postopki naknadnega sestavljanja. Foto: MIT

Solenoidi omogočajo delovanje zunaj zemeljske atmosfere

Solenoid je vrsta elektromagneta, ki ga tvori vijačna tuljava žice, katere dolžina je bistveno večja od njegovega premera, ki ustvarja nadzorovano magnetno polje. Sestavljen je iz tuljave, ohišja in gibljivega bata (armature). Ob dovodu električnega toka se okoli tuljave ustvari magnetno polje, ki potegne bat. Enostavneje povedano, elektromagnetna naprava pretvarja električno energijo v mehansko delo. Na fotografiji je prikazano solenoidno ravnovesje. Foto: Siemens

Poleg tega, da bi bila elektronika na Zemlji cenejša, bi bila lahko ta tiskalna oprema še posebej uporabna pri raziskovanju vesolja. Namesto da bi pošiljali nadomestne elektronske dele v bazo na Marsu, kar bi lahko trajalo več let in stalo več milijonov evrov, bi lahko poslali signal z datotekami za 3D-tiskalnik, je pojasnil dr. Luis Fernando Velásquez-García, glavni raziskovalec v Laboratorijih za mikrosistemsko tehnologijo na MIT. »Ni razloga, da bi zmogljivo strojno opremo izdelovali le v nekaj proizvodnih centrih, ko pa je potreba globalna,« je nadaljeval dr. Velásquez-García. »Namesto da poskušamo pošiljati strojno opremo po vsem svetu, lahko ljudem v oddaljenih krajih omogočimo, da jo izdelajo sami? Dodajalna proizvodnja lahko igra izjemno vlogo v smislu demokratizacije teh tehnologij,« je sklenil glavni avtor novega članka o 3D-natisnjenih solenoidih, ki je objavljen v reviji Virtual and Physical Prototyping.

Solenoid ustvarja magnetno polje, ko skozi njega teče električni tok. Ko nekdo na primer pozvoni na vratih, električni tok teče skozi solenoid, ki ustvari magnetno polje, ki premakne železno palico, da ta udarja na zvonec. Vključevanje elektromagnetov v električna vezja, izdelana v čisti sobi, predstavlja velik izziv, saj imajo zelo različne oblikovne faktorje in so izdelani z nezdružljivimi postopki, ki zahtevajo naknadno montažo. Zato so raziskovalci proučevali izdelavo solenoidov z uporabo številnih enakih postopkov, kot se izdelujejo polprevodniški čipi. Vendar te tehnike omejujejo velikost in obliko solenoidov, kar ovira njihovo učinkovitost.

Z dodajalno proizvodnjo je mogoče izdelati naprave praktično poljubne velikosti in oblike. Vendar to predstavlja svoje izzive, saj izdelava solenoida vključuje navijanje tankih plasti iz več materialov, ki morda niso združljivi z enim strojem. Da bi premagali te izzive, so morali raziskovalci prilagoditi komercialni ekstrudirni 3D-tiskalnik.

Pri ekstrudijskem tiskanju predmeti nastajajo s plastenjem, tako da se material brizga skozi šobo. Običajno tiskalnik uporablja eno vrsto surovine za material, pogosto tuljave filamenta. »Nekateri ljudje na tem področju jih gledajo zviška, ker so preprosti in nimajo veliko zvoncev in piščalk, vendar je ekstrudiranje ena od redkih metod, ki omogoča večmaterialno, monolitno tiskanje,« je dejal dr. Velásquez-García. To je ključnega pomena, saj so solenoidi izdelani z natančnim plastenjem treh različnih materialov – dielektričnega materiala, ki služi kot izolator, prevodnega materiala, ki tvori električno tuljavo, in mehkega magnetnega materiala, ki sestavlja jedro.

Solenoidi so izdelani z natančnim plastenjem treh različnih materialov – dielektričnega materiala, ki služi kot izolator, prevodnega materiala, ki tvori električno tuljavo, in mehkega magnetnega materiala, ki tvori jedro. Mehki magnetni material, ki so ga uporabili raziskovalci in je v obliki peletov, dosega večjo zmogljivost kot materiali, ki temeljijo na nitkah. Foto: MIT

Ekipa je izbrala tiskalnik s štirimi šobami – po ena je namenjena vsakemu materialu, da se prepreči navzkrižna kontaminacija. Štiri brizgalke so potrebovali, ker so preizkusili dva mehka magnetna materiala, enega na osnovi biološko razgradljivega termoplasta in drugega na osnovi najlona.

Uporabna vrednost granulata

Tiskalnik so naknadno opremili tako, da je ena šoba lahko iztiskala pelete namesto filamenta. Mehkega magnetnega najlona, ki je narejen iz upogljivega polimera, posutega s kovinskimi mikrodelci, je praktično nemogoče izdelati kot filament. Kljub temu ta najlonski material ponuja veliko boljše zmogljivosti kot alternativni materiali na osnovi filamentov.

Tudi uporaba prevodnega materiala je predstavljala izziv, saj bi se ta začel taliti in bi zamašil šobo. Raziskovalci so ugotovili, da je to preprečilo dodajanje prezračevanja za hlajenje materiala. Izdelali so tudi novo držalo za tuljavo prevodnega filamenta, ki je bilo bližje šobi, kar je zmanjšalo trenje, ki bi lahko poškodovalo tanke pramene.

Tudi s spremembami ekipe je prilagojena strojna oprema stala približno 4000 evrov, zato bi lahko to tehniko uporabljali tudi drugi in bi bila cenejša od drugih pristopov, dodaja Velásquez-García. Prirejena strojna oprema natisne solenoid velikosti ameriškega kovanca za 25 centov v obliki spirale s plastenjem materiala okoli mehkega magnetnega jedra, pri čemer so debelejše prevodne plasti ločene s tankimi izolacijskimi plastmi. Natančen nadzor procesa je izrednega pomena, saj se vsak material natisne pri drugačni temperaturi. Če bi drugega na drugega nanesli ob nepravem času, bi se lahko materiali razmazali.

Ker je njihov stroj lahko tiskal z učinkovitejšim mehkim magnetnim materialom, so solenoidi dosegli večjo učinkovitost kot druge naprave, natisnjene s 3D-tiskalnikom.

Metoda tiskanja jim je omogočila izdelavo tridimenzionalne naprave, sestavljene iz osmih plasti, pri čemer so tuljave prevodnega in izolacijskega materiala zložene okoli jedra kot spiralno stopnišče. Več plasti poveča število tuljav v solenoidu, kar izboljša ojačitev magnetnega polja. Zaradi dodatne natančnosti modificiranega tiskalnika so lahko izdelali solenoide, ki so bili za približno 33 odstotkov manjši od drugih različic, natisnjenih s 3D-tiskalnikom. Več tuljav na manjši površini prav tako poveča ojačitev. Na koncu so njihove solenoide lahko ustvarile magnetno polje, ki je bilo približno trikrat večje od tistega, ki ga lahko dosežejo druge 3D-tiskane naprave.

»Nismo bili prvi, ki smo lahko izdelali induktorje, natisnjene v 3D-tehniki, vendar smo bili prvi, ki smo jih naredili tridimenzionalne, kar močno okrepi vrste vrednosti, ki jih lahko ustvarite. To pomeni, da lahko zadovoljimo širši spekter aplikacij,« je sklenil vodja raziskovalna skupine na MIT, ki raziskuje omejitve zmanjševanja obsega in multipleksiranja sistemov, sestavljenih iz niza elementov, z uporabo mikro- in nanostruktur za optimizacijo delovanja sistemov.

Osredotočeni v boljšo učinkovitost

Čeprav ti solenoidi ne morejo ustvariti tako velikega magnetnega polja kot solenoidi, izdelani s tradicionalnimi tehnikami izdelave, jih je na primer mogoče uporabiti kot pretvornike energije v majhnih senzorjih ali aktuatorje v mehkih robotih. Raziskovalci želijo še naprej izboljševati njihovo učinkovitost. Tako bi lahko poskusili uporabiti druge materiale, ki bi lahko imeli boljše lastnosti. Raziskujejo tudi dodatne modifikacije, s katerimi bi lahko natančneje nadzorovali temperaturo, pri kateri se posamezni material odlaga, kar bi zmanjšalo število napak.

Avtor: Jernej Kovač